题目内容
【题目】如图甲所示，两竖直同定的光滑导轨AC、A'C'间距为L，上端连接一阻值为R的电阻。矩形区域abcd上方的矩形区域abA'A内有方向垂直导轨平面向外的均匀分布的磁场，其磁感应强度B1随时间t变化的规律如图乙所示（其中B0、t0均为已知量），A、a两点间的高度差为2gt0（其中g为重力加速度），矩形区域abcd下方有磁感应强度大小为B0、方向垂直导轨平面向里的匀强磁场。现将一长度为L，阻值为R的金属棒从ab处在t=0时刻由静止释放，金属棒在t=t0时刻到达cd处，此后的一段时间内做匀速直线运动，金属棒在t=4t0时刻到达CC'处，且此时金属棒的速度大小为kgt0（k为常数）。金属棒始终与导轨垂直且接触良好，导轨电阻不计，空气阻力不计。求：
(1)金属棒到达cd处时的速度大小v以及a、d两点间的高度差h；
(2)金属棒的质量m；
(3)在0－4t0时间内，回路中产生的焦耳热Q以及d、C两点的高度差H。
【答案】(1)gt0，
；(2)
；(3)
，
【解析】
(1)在0~t0时间内，金属棒不受安培力，从ab处运动到cd处的过程做自由落体运动，则有
(2)在0~2t0时间内，回路中由于ab上方的磁场变化产生的感应电动势
在t0~2t0时间内，回路中由于金属棒切割磁感线产生的感应电动势
经分析可知，在t0~2t0时间内，金属棒做匀速直线运动，回路中有逆时针方向的感应电流，总的感应电动势为
根据闭合电路的欧姆定律有
对金属棒，由受力平衡条件有
B0IL=mg
解得
(3)在0~t0时间内，回路中产生的焦耳热∶
在t0 ~2t0时间内，金属棒匀速下落的高度∶
在t0~2t0时间内，回路中产生的焦耳热
设在2t0~4t0时间内，金属棒下落的高度为h2，回路中通过的感应电流的平均值为I，有
根据动量定理有
解得
经分析可知
解得
根据能量守恒定律可知，在2t0~4t0时间内，回路中产生的焦耳热
经分析可知
Q=Q1+Q2+Q3
解得
